孫振川，王 亮（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003）

引松供水工程超大直徑豎井超深孔反向爆破成井施工技術

孫振川，王 亮
（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003）

摘要：引松供水工程4標段飲馬河調壓井深50 m，直徑為20 m，為圓柱形豎井結構。主要巖性為凝灰質砂巖，豎井井口地形陡峭、環(huán)境復雜，便道及施工場地布置困難，大型設備很難進入，施工難度非常大。為解決因邊界條件復雜而造成施工方案選擇困難的問題，通過資料查閱、國內(nèi)外現(xiàn)有豎井方案調研、專家咨詢等方法，多方案反復比選評審，大膽試驗，提出并試驗成功超大斷面超深孔反向爆破成井技術，特別是對爆破分區(qū)、爆破方案及關鍵施工工藝等方面進行了深入研究，得出了一系列理論及參數(shù)，在施工條件極為困難的情況下，為本工程的順利實施打下了堅實的基礎。

關鍵詞：供水工程；調壓井；超大直徑超深豎井；反向爆破

0　引言

傳統(tǒng)大斷面豎井施工多為正向鉆爆法施工［1］，有下部作業(yè)空間時，也可采用導孔＋正向鉆爆擴挖法［2］或導孔＋反向鉆爆擴挖法［3－4］。對于深50 m、直徑為20 m的大斷面且地質相對單一的圓形豎井來說，常規(guī)正向鉆爆法是非常成熟的工法；但受制于井口地表復雜的地形條件，從場地布置、便道引入到設備進場，都使該方案難以實施，只能另辟蹊徑。雖然下部隧道已于先期建成，有可利用空間，正向導孔＋反向鉆爆法有一定的實施條件；但其實施環(huán)境差，安全風險高，同時受制于復雜的地表地形條件，相應的地表配套設備很難進場，該方案亦很難實施。

深孔爆破法是20世紀50年代發(fā)展起來的一種爆破技術，主要用于礦山，先后在瑞典、前蘇聯(lián)、日本、芬蘭等國研究試驗并成功運用。我國于1958年開始進行深孔爆破法成井試驗，先后在桃林鉛鋅礦、新疆可可特礦務局、八街鐵礦礦山等工程中成功運用。在該方面李啟月等［5］研究了深孔爆破分為多孔球狀藥包爆破及直孔掏槽爆破2種模式，分析了一次爆破成井的技術難題，并提出相應解決措施，認為巖性、孔偏差、成井斷面大小、成井高度是影響模式選擇的主要因素。周傳波［6］在深孔爆破成井鉆爆參數(shù)和工藝的影響因素、礦巖可爆性影響因素及試驗地段礦巖可爆性評價等方面分析研究的基礎上，采用計算機數(shù)值模擬、模型

試驗、現(xiàn)場試驗爆破領域“三位一體”的研究方法，對深孔一次爆破成井中的相關爆破技術進行了全面研究。袁向全等［7］和劉永文［8］通過對平行集束深孔爆破技術的研究，得出此技術可以減少爆破炸藥單耗、提高爆破質量、減少爆破成本。由于該技術在地表不需要大型設備，對場地條件要求相對寬松，比較適合本工程；但從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，對深孔爆破掘進成井技術的應用，尤其在我國，絕大多數(shù)為小斷面、中天（豎）井（斷面面積不超過20 m2，鉆孔深度不超過30 m），而且對爆破振動等危害的要求不高。對深孔爆破掘進成井技術的研究，主要集中在實驗研究，依托于爆破技術人員的經(jīng)驗，而爆破理論研究體系并不完整，尤其是對爆破塊度、起爆網(wǎng)絡可靠度及爆破振動等方面的研究更為缺失，大斷面、深豎井（相對反向爆破而言）超深孔反向掘進的資料也難以檢索到。

綜上所述，針對本豎井復雜的邊界條件，施工方案的選擇和優(yōu)化顯得尤為困難和重要。

1　工程概況

吉林省中部城市引松供水工程總干線施工4標段位于吉林市岔路河與飲馬河之間，線路樁號為48＋900 m～71＋855 m，總長度為22 955 m。

飲馬河調壓井樁號為71＋752.33 m（見圖1），調壓井開挖直徑約為20 m，高約為50 m，飲馬河調壓井工程豎井石方洞挖工程量為18 021 m3，調壓井形式為簡單圓筒式（見圖2和圖3）。井口處山勢陡峭，植被不發(fā)育。洞室部位主要巖性為凝灰質砂巖，灰白色，碎屑結構，塊狀構造，致密，堅硬，斷口見鈣質薄膜，局部有斑點狀礦物，圍巖類別以Ⅲ類為主。

圖1　飲馬河調壓井在4標段的位置圖Fig.1 Location of Yinmahe shaft

圖2　調壓井平面圖Fig.2 Plan of ground surface around Yinmahe shaft

圖3　調壓井剖面圖Fig.3 Profile of Yinmahe shaft

2　調壓井施工難題

1）調壓井井口地形條件復雜，山勢陡峭，施工便道引入和場地布置困難，施工條件差。

2）調壓井斷面大（直徑為20 m），掘進深度較深

（50 m——相對反向爆破而言），結合豎井地質地形條件，施工方法選擇困難。

3　施工方法選擇

3.1選型原則

1）充分考慮地質地形條件，最大限度便于場地布置、設備進場、施工，以及施工過程中能及時封閉圍巖。

2）充分利用下部隧道空間和通道展開施工，確保安全及工效。

3.2施工方法選擇

傳統(tǒng)豎井施工方法主要有4種：正向鉆爆法（普通法）、反向鉆爆法（爬罐爆破法）［2］、機械鉆井法、深孔反向爆破法。

1）正向鉆爆法。由于井口施工場地狹小，便道引入困難，大型設備特別是門吊等提升設備難以到達井口，出碴進料困難，方案難以實施。

2）反向鉆爆法［9］。由于豎井斷面大，需要作業(yè)人員在井內(nèi)完成多道復雜的工序，工作環(huán)境惡劣、安全性差，成本高、效率低。

3）采用機械鉆井法［10］雖然不需要作業(yè)人員在井內(nèi)施工，工作環(huán)境安全良好；但施工機械龐大，準備時間長，設備購置費用高，受井口地形限制，設備難以抵達，受豎井斷面限制，且施工機械本身還有待完善，也不適用于本工程。

4）相比之下，利用已有隧道空間進行深孔反向爆破，既避免了前3種施工方法的缺點，也一直是研究的熱點和推廣的對象，而且在施工作業(yè)環(huán)境和技術操作方面具有優(yōu)勢。同時，研究表明，深孔反向爆破法成本約為正向爆破法的40%、機械鉆井法的30%，而效率約為正向爆破法的141%、機械鉆井法的128%。

綜合考慮調壓井地質地形條件，經(jīng)反復研究比選，最終決定充分利用既有隧道空間采用深孔反向爆破法進行調壓井施工，即“深孔分段、分層留碴爆破，邊支護邊出碴”的整體施工方案。

4　反向爆破成井技術施工要點及步驟

4.1總體方案

1）采用超深鉆孔由上往下鉆鑿直達底部空間，再由下往上進行分段、分層微差爆破，從而實現(xiàn)安全、高效、快速成井。

2）在調壓井的中間，由下往上分段、分層爆破形成一條通達底部總干線隧道的導井（直徑達6 m），作為主體崩落爆破的落碴通道和新的自由面（見圖4）。

3）在調壓井設計輪廓周邊進行預裂爆破，以形成光滑平整面并減少崩落孔的爆破振動。

4）以導井和調壓井下底面為自由面，由下往上分段、分層爆破崩落主體巖體。

圖4　調壓井爆破分區(qū)圖（單位：m）Fig.4 Plan showing blasting zone division of Yinmahe shaft（m）

5）留碴支護。根據(jù)實際補償空間的大小，確定每段爆破厚度及分段原則，要求最終爆破后調壓井內(nèi)留下一定量的爆碴，稍加修整后就能作為支護平臺。完成一定高度的支護工作后，再通過底部的總干線隧道出碴，出碴量以便于后期支護工作為準。依此類推，邊支護邊出碴，直至完成整個調壓井的掘進工作。

4.2爆破分區(qū)及施工順序

4.2.1爆破分區(qū)

為確保爆破質量并有效控制爆破振動，將本次50 m厚的15 708 m3的巖體劃分為6大分區(qū)進行分塊、分段、分層爆破，其中導井爆破范圍分為3個分區(qū)，預裂和崩落爆破范圍分為3個分區(qū)，如圖5所示。

圖5　調壓井深孔爆破分區(qū)方案（單位：m）Fig.5 Profile showing blasting zone division of Yinmahe shaft（m）

4.2.1.1“0區(qū)”代表預先完成的工作

要求將該分區(qū)進行預先開挖并清運爆碴，其爆破方法為水平淺孔爆破，主要考慮：1）預先采用水平淺孔爆破的難度遠小于鉆60 m深垂孔爆破的難度；2）

隧道上方的調壓井巖體爆破需要補償空間，隧道本身的空間不能滿足其需求；3）深孔鉆孔的偏斜率需要通過鉆穿炮孔后進行測定，并根據(jù)實際情況調整藥量，如果其底部不爆破清運，就無法確定該處的鉆孔狀況；4）深孔爆破一般需要將孔鉆穿的另一個目的是要對孔內(nèi)的裂隙水、鉆碴、節(jié)理夾泥等進行有效下溜，以確?？變?nèi)通透，從而保證裝填可靠。

4.2.1.2中間導井爆破分為3個分區(qū)

中間導井主要為后續(xù)主體崩落爆破創(chuàng)造自由面并提供補償空間。對中間導井設置分區(qū)并分段，主要考慮以下3個方面：1）中間導井深度達50 m，一次爆破成型在理論上是可行的，但實際施工難度較大，影響因素較多，如巖體結構構造、鉆孔工藝、炸藥裝填工藝及爆炸物品等；2）根據(jù)國內(nèi)礦山的深孔一次爆破成型經(jīng)驗，高度在15～20 m時，是可行且可靠的；3）隧道底部的補償空間有限。

4.2.1.3主體崩落爆破分為3個分區(qū)

充分利用底部自由面和中間導井的自由面，由下向上、由里向外，分段、分層崩落主體巖體。主體崩落爆破在全高上分為Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅵ區(qū)，主要考慮底部的補償空間、炸藥裝填難度及爆破振動3個因素。

4.2.1.4預裂爆破分為3個分區(qū)

預裂爆破的關鍵在于根據(jù)線性斷裂理論設計全長不耦合裝藥，于分段主體崩落爆破前，在調壓井設計輪廓面處，采用預裂爆破技術使該分段的待開挖部分和保護部分之間形成一條裂縫，以確保開挖面平整并有效減弱爆破振動。其分區(qū)與崩落爆破相同，即在全高上也分為Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅵ區(qū)，只是比同段崩落爆破早響一步。

4.2.2各分區(qū)起爆順序

在爆破順序上，深孔爆破總體上分為5個時間段起爆：Ⅰ區(qū)為第1段，Ⅱ區(qū)為第2段，Ⅲ區(qū)為第3段，Ⅳ區(qū)為第4段，Ⅴ區(qū)和Ⅵ區(qū)為第5段，各爆破分區(qū)施工順序見表1。表中“起爆順序”欄的數(shù)字“3.5”代表該分區(qū)的起爆順序，與數(shù)字“3”對應的分區(qū)皆為第3段起爆，但時間稍延遲于“3”，其他類推。

表1　調壓井深孔爆破分區(qū)施工順序表Table 1 Blasting sequence of Yinmahe shaft

4.3各分區(qū)爆破方案

4.3.1導井爆破設計

采用類似冶金地下礦山VCR開采法進行導井爆破施工（一種進行深孔球形藥包分段、分層、從下向上爆破形成天井的施工方法），不需要大直徑中空孔作為自由面，鉆鑿深孔的工作量較少，對炮孔偏斜率要求較低。

4.3.1.1藥包結構

導井爆破的炮孔為150 mm，選用2號巖石乳化炸藥，藥包長徑比為7.0，藥包的炸藥直徑按120 mm、密度按1 000 kg／m3計算。該球形藥包的長度L藥＝K·d＝7.0×120＝840 mm，質量Q藥＝ρπd2L藥／4＝1 000×3.14×0.122×0.84／4≈10 kg。

4.3.1.2孔內(nèi)分層

根據(jù)現(xiàn)場爆破漏斗實驗，可得出不同質量球形藥包的最佳埋置深度，如表2所示。

表2　球形藥包質量與最佳埋深對應關系表Table 2 Spherical cartridge weight Vs.optimum burying depth

本次調壓井爆破擬選取的球形藥包質量為10 kg，對應的最佳埋置深度do＝1.81 m，L藥為炸藥長度，Ho為單孔內(nèi)每層炸藥及堵塞高度，L堵為單孔每層堵塞長度，相對關系如圖6所示?？梢郧蟪龊侠矸謱痈叨菻o＝do＋L藥／2＝1.81＋0.84／2＝2.23 m，每層內(nèi)堵塞高度L堵＝Ho－L藥＝2.23－0.84＝1.39 m，炮孔內(nèi)分層數(shù)量（即炮孔內(nèi)裝藥個數(shù)）N藥＝（H－do）／Ho，式中H為調壓井深度，于是有N藥＝（50－1.81）／2.23≈22，進而可得出單孔藥量Q孔1＝N藥·Q藥＝22×10＝220 kg；因此，單個炮孔內(nèi)裝藥22個，每個裝藥10 kg，總裝藥量為220 kg。

圖6　球形藥包爆破層高圖Fig.6 Blasting height of spherical cartridge

4.3.1.3孔位設計

導井炸藥單耗取7.8 kg／m3，可以計算出導井總裝藥量

式中：q導井為導井爆破炸藥單耗，kg／m3；V導井為導井體積，m3。

將相關數(shù)值代入式（1）計算得出Q導井＝7.8×3.14× 32×50≈11 000 kg，炮孔數(shù)量N孔＝Q導井／Q孔1＝11 000／220＝50。根據(jù)爆破能量均布原理，孔間距設為0.85～1.11 m，將50個炮孔均勻地分布在直徑為6 m的導井平面上，如圖7所示。

圖7　導井炮孔布置俯視圖Fig.7 Layout of blasting holes of guide shaft

4.3.1.4爆破參數(shù)表

導井爆破總體參數(shù)如表3所示。

表3　導井爆破參數(shù)表Table 3 Blasting parameters of guide shaft

4.3.2主體崩落爆破設計

前期中間導井爆破已經(jīng)形成了足夠大的補償空間，此時的主體崩落爆破，主要采用地下深孔臺階爆破技術進行爆破設計。考慮到地下爆破的約束性大及現(xiàn)場出碴要求爆破塊度小的特點，適當縮小孔網(wǎng)參數(shù)、加大炸藥量，分段、分層由中向外推進。

4.3.2.1藥包結構

與導井爆破所用相同。

4.3.2.2孔位設計

地下深孔臺階爆破的炮孔間距

式中：m為密集系數(shù)，一般取1.0～1.25；w為最小抵抗線，硬巖一般?。?0～30）d2（d2為崩落孔裝藥直徑）；取m＝1.0，w＝20 d2。

將相關數(shù)值代入式（2）計算得出a2＝1.0× 20×0.12＝2.4 m，根據(jù)底部隧道出碴塊度要求，將炮孔間距縮小，取2.0 m。以孔／排間距2.0 m為布孔原則，在崩落平面上均勻布設炮孔，如圖8所示。

4.3.2.3藥量計算

結合本工程特點，由于中間導井較大，炸藥單耗取1.56 kg／m3，可以計算出崩落爆破總裝藥量

式中：q崩落為崩落爆破炸藥單耗，kg／m3；V崩落為崩落爆破體積，m3。

將相關數(shù)值代入式（3）計算得出Q崩落＝1.56× 3.14×（102－32）×50≈19 800 kg。

單孔裝藥量

式中n崩落為崩落爆破孔數(shù)。

將相關數(shù)值代入式（4）計算得出Q孔＝19 800／66＝300 kg；因此，崩落爆破總共布置66個炮孔，每個炮孔裝300 kg炸藥，共計裝19 800 kg炸藥。

圖8　崩落炮孔布置俯視圖（單位：m）Fig.8 Layout of driving blasting holes（m）

4.3.2.4爆破參數(shù)表

崩落爆破總體參數(shù)如表4所示。

4.3.3周邊預裂爆破設計

沿調壓井開挖邊界密集布置炮孔，采用低猛度不耦合串狀間隔裝藥預裂爆破模式，在前方主體崩落爆破之前起爆，形成一條介于主體崩落爆破區(qū)和調壓井邊界保留區(qū)之間的裂縫，以減弱主炮孔爆破對被保護巖體的破壞并形成平整輪廓面。

4.3.3.1藥包結構

根據(jù)預裂爆破的設計理念，裝藥為不耦合結構，要求炸藥爆炸產(chǎn)生的孔壁應力波最大值小于孔壁巖石的極限動抗壓強度；但要大于極限動抗拉／剪強度，確保能夠在相鄰炮孔間形成裂縫，且不能破壞殘留孔壁。根據(jù)這個要求，可以計算出適合一定直徑炮孔的裝藥直徑，炮孔直徑與裝藥直徑的比值就是不耦合系數(shù)ζ。

實踐證明，一般情況下，ζ的合理取值范圍為2～4，本次設計取3，于是可以計算出藥卷直徑d＝D／3＝150／3＝50 mm，即預裂爆破藥卷直徑為50 mm。

4.3.3.2孔位設計

鉆孔間距不僅影響裝藥量的大小，還直接關系著預裂壁面的質量，在保證2孔之間裂開成縫的前提下，小間距的壁面質量遠好于大間距的壁面質量。通常，一般工程取a＝（7～10）D（D為炮孔直徑），質量要求高的工程取a＝（5～7）D。選擇a時，鉆孔直徑大于100 mm時取小值，小于60 mm時取大值；軟弱破碎的巖石取小值，堅硬的巖石取大值；質量要求高的取小值，要求不高的取大值。

本次預裂爆破炮孔直徑為150 mm，考慮到孔深過大，炮孔間距取小值，即a3＝7D＝1 050 mm，實取a3＝1.0 m，則炮孔數(shù)量n預裂＝2πR／a3＝2×3.14×10／1≈63。將63個炮孔均勻地分布在調壓井邊界上，如圖9所示。

表4　崩落爆破參數(shù)表Table 4 Parameters of driving blasting

圖9 預裂炮孔布置俯視圖
Fig.9 Layout of presplitting blasting holes

4.3.3.3藥量計算

基于巖石抗壓強度、孔距和炮孔半徑，有如下線裝藥密度計算公式式中：QL為線裝藥密度，kg／m；σ為巖石極限抗壓強度，MPa；a為炮孔間距，m；r為炮孔半徑，m。

考慮到地下深孔夾制力大，抗壓強度取180 MPa，將相關數(shù)值代入式（5）計算得出QL＝0.127×1800.5× 10.84×0.0750.24＝0.92 kg／m，實取QL＝1.0 kg／m。根

據(jù)炮孔長度及線裝藥密度可以計算出單孔藥量Q孔＝H·QL＝50×1.0＝50 kg／m，即每孔平均裝藥量為50 kg。根據(jù)炮孔數(shù)量和單孔裝藥量可以計算出預裂爆破總藥量Q預裂＝n預裂Q孔＝63×50＝3 150 kg。

4.3.3.4爆破參數(shù)表

預裂爆破總體參數(shù)如表5所示。

表5　預裂爆破參數(shù)表Table 5 Parameters of presplitting blasting

4.3.4網(wǎng)絡連接

4.3.4.1導井爆破起爆網(wǎng)絡設計

為確保延期時間準確可靠，導井爆破統(tǒng)一采用高精度雷管。為減少雷管采購品種，將孔內(nèi)雷管延時統(tǒng)一確定為1 800 ms，孔外延期雷管采用9 ms和250 ms 2種進行接力組合。導井爆破全高50 m，共分3段、22層、1 100個藥包、220響，每5個藥包為1響，如圖10所示。

圖10　導井段間層間起爆分區(qū)圖Fig.10 Blasting zone division of guide shaft

第1段在Ⅰ區(qū)，首先爆破，共6層300個藥包分60響，每層由下往上層間起爆延期250 ms；第2段在Ⅱ區(qū)，第2輪爆破，共8層400個藥包分80響，每層由下往上層間起爆延期250 ms；第3段在Ⅴ區(qū)，最后一輪爆破，共8層400個藥包分80響，每層由下往上層間起爆延期250 ms。以第1段第1層為例說明各層內(nèi)各響起爆分區(qū)，如圖11所示。分層之間由下向上逐漸延期250 ms，如圖10所示。每層內(nèi)部，按每5個炮孔1響，共10響，由內(nèi)往外依次分布。

圖11　導井第1段第1層內(nèi)起爆網(wǎng)絡劃分俯視圖Fig.11 Ignition network of guide shaft

第2層基本上與第1層相同，只是各響再增加了250 ms延期，依此可得第3、4、5層的起爆分區(qū)。

同理，可確定第2、3段各層、各響起爆分區(qū)，前6層與第1段相同，只是增加了第7層和第8層。

4.3.4.2崩落爆破起爆網(wǎng)絡設計

為減少雷管采購品種，崩落爆破孔內(nèi)雷管延時統(tǒng)一確定為1 800 ms，孔外延期雷管采用25 ms和9 ms 這2種進行組合，導爆索采用塑料皮普通類別。崩落爆破比同段的預裂爆破稍延遲100 ms起爆。崩落爆破炮孔共分為3段3圈，段內(nèi)不再分層，用導爆索串PVC管進行全段孔內(nèi)裝藥。起爆順序設計原則為先起爆下面分段，后起爆上面分段，即按第1段到第2段，再到第3段的順序。每個分段起爆順序設計原則為先起爆里圈炮孔，后起爆外圈炮孔。同一圈內(nèi)的炮孔起爆順序設計原則為逐孔起爆，圈內(nèi)炮孔延期時間為25 ms，圈與圈之間延期時間為9 ms，第3段要延遲于該起爆區(qū)內(nèi)的導井爆破100 ms。崩落爆破分段、分圈起爆分區(qū)如圖12所示。

圖12　崩落爆破分段、分圈起爆分區(qū)圖（單位：m）Fig.12 Zone division of driving blasting（m）

以第1段為例說明各段各響起爆設計，如圖13所示。第5圈共16個孔，孔間用25 ms高精度雷管接力延期起爆；第6圈共22個孔，首響孔和第5圈首響用9 ms高精度雷管延期起爆，以后孔間用25 ms高精度

雷管接力延期起爆；第7圈共28個孔，首響孔和第6圈首響用9 ms高精度雷管延期起爆，以后孔間用25 ms高精度雷管接力延期起爆。

圖13　崩落爆破第1段起爆網(wǎng)絡設計圖Fig.13 Ignition networks of driving blasting

同理，可確定第2、3段各層、各響起爆設計。第3段高度為20 m，比第1段高出5 m，另外第3段崩落爆破要稍后于第3段預裂爆破100 ms，相應第3段各孔起爆時間往后推遲100 ms，其他也與第1段相同。

4.3.4.3預裂爆破起爆網(wǎng)絡設計

為減少雷管采購品種，預裂爆破孔內(nèi)雷管延時統(tǒng)一確定為1 800 ms，孔外接力延期雷管采用9 ms高精度雷管，導爆索采用塑料皮普通類別。預裂爆破比同段的崩落爆破提前100 ms起爆。預裂爆破炮孔布置在調壓井周邊，采用雙股導爆索串50 mm藥卷，用高精度雷管起爆。為減少爆破振動，設置孔間9 ms微差，即用9 ms高精度雷管接力傳爆。

以第1段為例說明各段、各響起爆設計，基本網(wǎng)絡連接與崩落孔的第1段類似，只是將中間的接力雷管由25 ms改為9 ms高精度雷管。由于第2段高度與第1段一樣，所以2段的所有參數(shù)都相同，其各響起爆分區(qū)也與第1段相同；第3段高度為20 m，比第1段高出5 m，另外第3段要稍后于導井爆破100 ms，相應第3段各孔起爆時間往后推遲100 ms，其他也與第1段相同。

4.4主要施工工藝

4.4.1鉆孔施工

超深孔爆破法對鉆孔的要求為開孔定位準確、鉆孔偏斜率小。鉆孔偏斜率是深孔爆破成形的關鍵，要求不大于0.5%。由于炮孔長達50 m且直徑大，很容易造成偏斜，需要采取一定的防偏及糾偏措施。

1）徹底清除調壓井上部浮碴后，在調壓井上口澆筑1層20 cm厚的混凝土底盤并用風鎬找平，再在其上面標出各炮孔的位置并鉆孔，鉆進時要做到“平”、“直”、“準”、“齊”，鉆孔臨近全深時，減壓鉆進。

2）安裝導向管能有效減小鉆桿晃動造成的鉆孔偏斜。

3）所有炮孔都必須鉆穿，這樣有利于孔底的水分、泥沙等自動下溜，同時，對每孔進行測量，確定實際鉆孔編斜率，作為后期裝藥的基本依據(jù)。

4）鉆進時，采用重錘法測斜。每鉆進3 m測斜一次，鉆孔完成后再次進行鉆孔測斜，并繪制實測圖，偏斜時要及時進行糾偏處理。

4.4.2裝填工藝

4.4.2.1裝藥結構

1）導井裝藥結構。導井爆破是本次爆破的關鍵，原則上應到廠家定做直徑為120 mm、長度為840 mm、質量為10 kg的藥卷塑管乳化炸藥。裝藥前，先用導井器進行驗孔，確?？變?nèi)暢通，并盡量保持干燥。驗孔后，用專用木楔或帶橡膠皮的水泥塊對孔底進行封堵。然后按設計位置用粗繩或鋼絲繩將炸藥輕輕放入，確定炸藥到位后，倒入適量的干河沙，再依次將炸藥和河沙裝入孔內(nèi)，最后一個裝藥的上部還要保持一定的堵塞。

2）崩落孔裝藥結構。崩落孔采用的是導爆索串直徑為120 mm的藥柱，中間間隔PVC管的結構。將該分段爆破的藥量均勻串在雙股導爆索上，導爆索要綁扎在粗繩或鋼絲上（見圖14）。

圖14　崩落孔裝藥結構示意圖Fig.14 Charging structure of driving blasting

3）預裂爆破裝藥結構。由于預裂爆破采用的是導爆索串藥卷、空氣間隔裝藥，為了防止藥卷彎曲，必須把藥卷綁扎在直徑為2 mm左右的粗繩或細鋼絲繩上，外敷雙股導爆索后形成藥串。為保證頂、底部充分炸開，需加大頂、底部0.5～1.0 m范圍內(nèi)的裝藥量，其藥量為正常裝藥量的2倍。形成完整的藥包后，提粗繩或鋼絲繩徐徐送入相應的孔內(nèi)，利用藥串上的粗繩懸吊在孔外。

4.4.2.2封堵措施

炮孔要打透，爆破時需要對打透的炮孔進行封堵。炮孔下口封堵可以采用木楔，也可以采用帶橡膠皮的水泥塊。帶橡膠皮的水泥塊澆筑簡單，澆筑一塊直徑比炮孔略小的混凝土圓柱體，其上澆一個系繩子的鐵圈，其下固定一塊直徑比炮孔略大的橡膠皮，該水泥塊通過自身重力可以降到炮孔底部，到達指定位置后，只要輕輕往上拉，橡膠皮就會自動翻轉，從而固定在炮孔中，完成封堵（見圖15）。

圖15　炮孔封堵塊Fig.15 Stemming block

4.4.2.3炮孔導測措施

炮孔導能和測量主要通過專門設計的超深孔導孔器來進行，其設計如圖16所示。

圖16　超深孔導孔器設計圖Fig.16 Design of guide device for superdeep holes

4.4.3清碴和支護工藝

超深孔爆破成井技術的優(yōu)越性之一就是清碴與支護同時進行。即充分利用調壓井內(nèi)爆碴高度，作為工作平臺進行支護，邊清碴邊支護。

4.4.3.1清碴時機及方法

1）集中清碴。集中清碴有3個時間段：①導井爆破完成后將隧道內(nèi)的爆碴清完，便于為后續(xù)崩落爆破提供補償空間；②在完成第1段崩落爆破后，進行集中清碴，此時只清運約3 000 m3的爆碴；③在第2段崩落爆破后，清運約2 000 m3的爆碴，以保證最后一次爆破的爆碴正好能將調壓井充填到離地面約5 m的位置，便于后續(xù)支護作業(yè)施工。爆破過程中爆破及集中清碴工作流程如圖17所示。

圖17　爆破及集中清碴工作流程示意圖Fig.17 Flowchart of blasting and muck clearing

2）分次清碴。當進行支護作業(yè)時，根據(jù)需要支護的最有利操作高度決定每次清碴量，邊支護邊清碴。每次清碴后確保調壓井內(nèi)存留爆碴高度下落到理想工作高度。

4.4.3.2分次清碴法成井的施工方法

1）經(jīng)深孔爆破成井后，由上至下逐段進行支護，一段支護完成后從調壓井下口集中排出爆破后的浮碴，邊支護邊清碴。

2）支護時調壓井內(nèi)施工人員可站在吊盤上施工，也可先將爆碴整平，鋪設木板、掛安全帶后進行支護作業(yè)，安全帶固定于調壓井壁面或調壓井上口牢固位置。

3）調壓井施工一定深度后，利用120型號左右的工字鋼、大木板、舊皮帶等物料封閉艙口，留出行人及風筒口等，其他輸料管、壓風管、水管等均固定在艙口封口盤上。

5　實施效果

1）由于地面場地僅需布置鉆孔用潛孔鉆機，不需

要布設生產(chǎn)設施及大型吊裝設備，大于豎井輪廓1.5～3 m即可，施工準備難度大大降低，同時減小對井口地表大面積刷坡造成地質災害風險的隱患，一方面有利于施工安全，另一方面有利于保護環(huán)境。

2）整個豎井從開始鉆孔到支護完成，用時僅1.5個月，相比該工程另一豎井——小河沿豎井（直徑為6 m，深為36 m，采用正向鉆爆法施工）的用時4個月，節(jié)省一多半時間，工期大大縮短。

3）工程爆破完成后，井筒周邊炮眼殘痕率約為80%，井筒圓順，沒有波浪形起伏，鉆孔最大偏斜率為25 cm。距離爆破點最近的生活房屋（約100 m），特別是井口邊坡、下部隧道結構都沒有受到任何傷害。

4）成本方面，與同一標段采用正向鉆爆法施工的豎井相比，約為其50%。

6　結論與建議

1）目前大直徑豎井普遍采用正向鉆爆法施工，其工法、工藝相對成熟，設備市場化高，配置簡單。對場地開闊，進出場便利，下部沒有可利用空間的豎井施工仍是首選方案。

2）超深孔反向爆破成井技術的關鍵在于對于豎井的合理分塊、分區(qū)及各個分區(qū)合理的爆破設計。

3）針對調壓井超深孔反向掘進爆破工程所處環(huán)境，全部采用高精度非電毫秒雷管起爆。高精度非電毫秒雷管的導爆管在300 kV的高電壓條件下，不起火、不導電，從根本上排除雜散電、射頻電、電磁感應等外界電能對起爆網(wǎng)絡的影響。

4）嚴格控制最大單響起爆藥量。采用高精度雷管毫秒微差爆破（其延期誤差只有非電導爆管雷管的1／6），把一次爆破的藥量嚴格分成多段、多層、多孔起爆，利用段間、層間及孔間毫秒微差延期，將一次爆破引起的強度較大的震動分為多次強度較小的震動，以確保底部干線隧道、頂部邊坡及調壓井井壁的安全。

5）足夠的補償空間對于爆破的分段及后續(xù)工程施工意義重大（特別是崩落爆破），必須進行認真的校核并制定嚴格的清碴程序。崩落區(qū)最后一段爆破后，調壓井內(nèi)的爆碴充填高度必須要滿足后期的支護作業(yè)需要。

6）超深孔反向爆破成井法對于地形復雜、進出場道路布置困難、地質相對簡單、下部有可利用空間的大直徑豎井施工具有不可比擬的優(yōu)勢，且代表一定的技術創(chuàng)新和進步，特別是在本工程的成功應用，其關鍵技術應該在類似工程中進一步推廣。

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Case Study on Raise Boring of a Superlarge Diameter Vertical Shaft of Songhuajiang River Water Conveyance Project

SUN Zhenchuan，WANG Liang
（China Railway Tunnel Stock Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，Henan，China）

Abstract：Yinmahe surge shaft in No.4 bid section of Songhuajiang River Water Conveyance Project is a cylindrical vertical shaft with 50 m depth and 20 m diameter.The shaft is located in tuffaceous sandstone.Due to the steep landforms and complex conditions at the ground surface around the shaft，it is very difficult to establish the access roads and construction sites for the shaft，and it is very difficult to mobilize the heavyduty equipment to the site.After extensive literature survey and study，raise boring method is adopted for the shaft.In the paper，the technologies for the raise boring technologies，including the blasting zone division，blasting scheme and key blasting techniques，are presented.In the end，the shaft has been completed successfully.

Keywords：water supply project；surge shaft；superlarge diameter；super depth；raise boring

作者簡介：第一孫振川（1972—），男，陜西韓城人，2009年畢業(yè)于石家莊鐵道學院，土木與建筑專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程技術與管理工作。

收稿日期：2015－06－09；修回日期：2015－07－24

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672－741X（2015）09－0897－10

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.007